CN112462465A - 一种嵌入式光源的导光板及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以嵌入式光源的导光板及其用途,由m*n块长方体导光板拼接而成;导光板连接处的中心线位置均匀设置圆柱形空洞,圆柱形空洞内置LED;导光板的材料为PMMA塑料;整体导光板的底部添加三维纹理,三维纹理的结构为圆球状的凸起结构,凸起的高度小于等于所设定的半径大小;对每个网点之间间距不能大于等于两倍半径;把拼接处的结合面光学属性设置为同出光面一致的透射属性,侧边和底面为平滑反射;其上覆盖BEF膜即增量片。本发明易于按需拼接,做到了灵活轻薄和低功耗。
Description
技术领域
本发明属于光学显示领域,涉及液晶显示背光模组,照明模块等的应用。
背景技术
发光二极管背光模组用于液晶显示等器件的照明光源,要求有充足的亮度和较为均匀的光照度分布。由于LED工作时有功耗低、效率高、寿命长、无污染等优点,已被广泛用于液晶显示器、照明等领域。当今市面上的液晶显示背光模组中,按其光源位置的不同,可分为侧入式和直下式两种。侧入式背光模组既降低了功耗又节约了生产成本,显示器能够做得更加轻薄,因此更易得到消费者的青睐,成为了市场发展的趋势。侧入式的背光模组的核心部件是导光板,其在LED背光模组中发挥相当重要的作用。导光板是背光模组光源的传播媒介,从导光板侧面射入的光通过底部网点结构的折射,变化为从正面均匀输出的光,其输出的光均匀度,很大程度上受三维网点排布规律的影响。
侧背光虽然能兼顾面板的轻薄和超低的功耗,但在大尺寸面板的应用上,光亮度的均匀性较差,距离光源较远的中心及边缘区域亮度不足。况且由于PMMA塑料材质存在一定的柔性,在大尺寸下容易发生弯折导致光线传导受阻,因此仅适用于小尺寸的导光板设计。
发明内容
本发明为解决大尺寸导光板无法做薄的问题,结合了侧光与背光的优点,设计出一种可拼接阵列式的导光板,将光源设定在拼接处,从而保证导光板尺寸的轻薄,灵活可变,结构强度高,均匀度均超过80%。
为达到上述发明创造目的,本发明采用下述技术方案:
本发明公开了一种嵌入式光源的导光板,由m*n块长方体导光板拼接而成;导光板连接处的中心线位置均匀设置圆柱形空洞,圆柱形空洞内置LED;导光板的材料为PMMA塑料;
整体导光板的底部添加三维纹理,三维纹理的结构为圆球状的凸起结构,凸起的高度小于等于所设定的半径大小;对每个网点之间间距不能大于等于两倍半径;
把拼接处的结合面光学属性设置为同出光面一致的透射属性,侧边和底面为平滑反射;其上覆盖BEF膜即增量片;
沿导光板的中心线光源上方铺设扩散膜,打散并扩散中间的强光,反射部分的光线使其重新进入导光板内部进行散射处理。
更进一步,所述的导光板的材料为PMMA塑料为95%透射,5%反射。
更进一步,所述的扩散膜20%的吸收,剩下80%的光线分别一半进行反射,一半进行透射。
更进一步,圆球状的凸起结构的高度和半径都小于导光板厚度。
更进一步,圆球状的三维网点即散射网点的半径区间在0.35-0.7cm之间,凸起高度区间在0.15-0.25cm间;各网点X、Y轴间距在0.6-1.5cm内。
更进一步,三维网点半径为0.45808cm,凸起高度为0.10915cm,各点间距x轴为0.69489cm,y轴为0.69518cm。
更进一步,四块导光板以2*2的方式进行排列拼接,将拼接衔接处的反光膜去除。
更进一步,3*3的排列方式形成九块拼接式导光板,将拼接面的光学属性改为透射,侧边和底面为平滑反射。
更进一步,四周和地面的反射膜为二氧化锆。
本发明公开的一种嵌入式光源的导光板的用途,用于显示照明器件。
本发明具有显著区别和突出优点:
(1)本发明结合了侧光与背光的优点,提出一种可拼接阵列式的导光板,将光源设定在拼接处,从而保证导光板尺寸的轻薄,同时利用LightTools软件设计优化表面的网点结构,模拟光均匀度达到80%以上。
(2)现有技术中将光源位置设置在背光板周围,与本发明相比,光源通过导光板后,出射光照度在空间的分布受微结构影响很小,不能产生光照度的空间均匀分布,故该种光源位置设置方法不能应用到背光板的模块化。而本发明通过对比可以得出本发明中光源位置设置可实现背光板模块化,可实现拼接成任意大尺寸背光板的效果。
(3)本发明针对不同使用场景,可按需选择拼接数量及拼接排布方式,大尺寸拼接下出光效率不会衰减,灵活可变;拼接结构强度高,不存在普通一体型导光板在大尺寸下PMMA塑料弯折的问题,保证了出光效率不被尺寸影响。
(4)本发明的导光板模块化拼接,可以实现大尺寸导光板柔性问题,另外由于结构的设计,导光板可以随意拼接,光源的光强平面均匀分布,提高导光板的利用率减少浪费、减少产品的体积,实现平面化结构。
附图说明
图1为单块导光板模型图;
图2为导光板中心挖出柱形空洞示意图;
图3为网点大小示意图;
图4为三维网点设计导光板初步模型;
图5为第一次仿真照度图;
图6为半径与高度分析图;
图7为多次优化后单块导光板的照度图;
图8为四块拼接导光板模型;
图9为四块拼接导光板照度图;
图10为九块拼接导光板模型;
图11为九块拼接导光板照度图;
图12为对比例即将光源位置设置在背光板后0.5mm处的四块拼接导光板照度图。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图,对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
本发明导光板是侧入式背光模组的重要组成部分,影响着背光模组整个的光学性能,底部三维网点又是设计的重中之重,也是设计优化最为复杂的部分。本发明基于LightTools软件模拟仿真完成,本文中所设计导光板采用可拼接式设计,理论上不同程度的拼接不会对其出光性能产生较大的影响,由于较多的拼接阵列包含着巨大的数据,电脑模拟过慢,故本发明采用四块拼接与九块拼接验证了其出光效果,均能达到设计要求。
导光板模型建立
如图1所示,将导光板的中心挖出圆柱形空洞以放入光源,让光从两侧射入,该做法减少了LED的数目也易于多块导光板按需拼接组合,不用重复设计不同尺寸的导光板。
初步设定拼接式导光板的长为30cm,宽为20cm,厚度为1cm,该尺寸能保证拼接的灵活性建立该尺寸的长方体,设定材料属性为PMMA塑料,光学属性为95%透射,5%反射以模拟正常的损耗。
本发明在中间挖出圆柱形的空洞条以放置光源,同时便于减少拼接后产生的干扰,故利用LightTools中的裁剪功能,在中心挖出了半径4mm的圆柱空洞如图2所示。
光源的建立
由于导光板厚度为20cm,故圆柱高也为20cm,光源选择建立LED点光源阵列排列,计划为每2.5cm放置一枚点光源,可正好放置5枚。在光源设置中选择出光角度0-180度,即四周全发光,功率设置为5W。
三维网点设计
选择在导光板的底部添加三维纹理,为了便于加工,选择为圆球状的凸起结构,光学属性同导光板,为95%透射和5%的反射。
如图3所示,考虑到加工的难度,网点大小的凸起的高度不应大于所设定的半径大小。建立模型时暂且设定半径和高度为4mm。对每个网点之间的距离进行更改,原则上间距不能小于两倍半径,否则将导致网点之间的重合,如图4所示。
光学膜设计
将导光板的底面与四个侧面的光学属性设置为100%反射,充当反射膜的作用;BEF膜采用软件库中3M公司BEF膜,尺寸为30x20,正好覆盖整个模型出光面。
在导光板出光面正上方2cm处建立虚拟平面以放置接收器,平面长30cm,宽20cm,与导光板尺寸一致。建立虚拟平面时进行网格分区,即把这个平面分为等大小的不同小区域,在后续的模拟与优化中,软件将根据每一个区域进行优化,理论上分区越小结果越模糊,分区越大精度越高,但在计算能力有限的情况下,分区控制在21格为佳。
光线数量使用软件默认数量25000条为基准。得到接收器的照度图如图5所示,由图可看出中间条状亮度突出,原因是本分光线向上传播从而打破了全反射,未经过网点的散射,这也是在实际中不可忽略的问题。LED灯珠的发光方向并不会只向左右两边传播。为此,需要在导光板的中心部分加入扩散膜,以扩散主要从中间射出的光线,使之打散中间的强光,同时也能反射部分的光线使其重新进入导光板内部进行散射处理。
根据上图光斑的大小,拟定建立长20cm、宽6cm的扩散膜,膜的厚度为2mm。利用软件建立模型后最重要的是调整其光学属性。扩散膜既需要将光进行一定的折射,也需要将一定的光线反射回去,故选择完整散射进行调整。模拟正常情况下的损耗,设定了20%的吸收,剩下80%的光线分别一半进行反射,一半进行透射。
参数灵敏度优化
有网点的凸起高度、球形网点的半径以及各个网点之间X轴方向与Y轴方向的间距这四个,分别将此四变量添加为优化变量后,还需要添加作为优化依据的评价函数。添加Illuminance Mesh为评价函数,选择目标为均匀以达到均匀照度的效果。
首先加入网点的半径与凸起高度,凸起高度不得大于半径,再加上导光板原本的1cm厚度,综合分析凸起高度大致在1mm-8mm内,半径也在同样的数值范围之内,每个数值迭代次数设定为15次,故一共有15*15即225次迭代。x轴表示微结构球面的半径大小,y轴表示凸起程度,该图清晰描述了随着半径与深度的改变,光照度分布均匀性的变化情况。颜色区域代表了不同的评价函数函数值,选择图中评价值最低的区域进行范围缩小,可得到散射网点的半径区间在0.35-0.7cm之间,凸起高度区间在0.15-0.25cm间。
将X轴和Y轴的间距(即X Spacing和Y Spacing)加入变量,为保证网点间尽量不重叠,如图6所示,偏移间距的影响较为复杂,大致选取中间区域进行进一步的优化,选择了Y轴方向1.15-1.3cm的间距,X轴方向1.05-1.3cm的间距。
多次优化后,得到了较为理想的情况如图7所示:此时,优化后的网点半径为0.45808cm,凸起高度为0.10915cm,各点间距x轴为0.69489cm,y轴为0.69518cm。
如图8所示,将四块导光板以2*2的方式进行排列拼接,相当于把单块导光板的长度和宽度各扩大了一倍,在实际拼接中,可以把拼接衔接处的反光膜去除,可以让光线相互射入,提高光线的利用率,提升照明效果。
把拼接处的结合面光学属性设置为同出光面一致的透射属性,保留底部与最外圈的反光属性充当反光膜。将原始的虚拟平面扩大到60*40厘米的尺寸以接收全部的光线,得到的光线仿真结果如图9所示,此时光照度均匀度大约在83.73%,满足设计要求。
实施例2
用3*3的排列方式模拟九块拼接式导光板,以确保在大规模拼接式的可靠性,此时长度和宽度分别扩大为90厘米和60厘米。与四块拼接时一样,将拼接面的光学属性改为透射,侧边和底面依旧为平滑反射。扩大虚拟表面的大小至90*60厘米以确保覆盖整个导光板。得到模型如图10所示,得到光线仿真结果如图11所示,此时的光照度均匀度大约为83.85%,符合设计的要求。
如图12为将光源位置设置在背光板后0.5mm处的四块拼接导光板照度图,与本发明图7和图9相比,光源通过导光板后,出射光照度在空间的分布受微结构影响很小,不能产生光照度的空间均匀分布,故该种光源位置设置方法不能应用到背光板的模块化。通过对比可以得出本发明中光源内置可实现背光板模块化,可实现拼接成任意大尺寸背光板的效果。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种嵌入式光源的导光板,其特征在于:由m*n块长方体导光板拼接而成;导光板连接处的中心线位置均匀设置圆柱形空洞,圆柱形空洞内置LED;导光板的材料为PMMA塑料;
整体导光板的底部添加三维纹理,三维纹理的结构为圆球状的凸起结构,凸起的高度小于等于所设定的半径大小;对每个网点之间间距不能大于等于两倍半径;
把拼接处的结合面光学属性设置为同出光面一致的透射属性,侧边和底面为平滑反射;其上覆盖BEF膜即增量片;
沿导光板的中心线光源上方铺设扩散膜,打散并扩散中间的强光,反射部分的光线使其重新进入导光板内部进行散射处理。
2.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:所述的导光板的材料为PMMA塑料为95%透射,5%反射。
3.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:所述的扩散膜20%的吸收,剩下80%的光线分别一半进行反射,一半进行透射。
4.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:圆球状的凸起结构的高度和半径都小于导光板厚度。
5.根据权利要求4所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:圆球状的三维网点即散射网点的半径区间在0.35-0.7cm之间,凸起高度区间在0.15-0.25cm间;各网点X、Y轴间距在0.6-1.5cm内。
6.根据权利要求5所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:三维网点半径为0.45808cm,凸起高度为0.10915cm,各点间距x轴为0.69489cm,y轴为0.69518cm。
7.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:四块导光板以2*2的方式进行排列拼接,将拼接衔接处的反光膜去除。
8.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:3*3的排列方式形成九块拼接式导光板,将拼接面的光学属性改为透射,侧边和底面为平滑反射。
9.根据权利要求1所述的嵌入式光源的导光板,其特征在于:四周和地面的反射膜为二氧化锆。
10.一种嵌入式光源的导光板的用途,其特征在于:用于显示照明器件。
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PB01 | Publication | ||
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